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2025年高中生物学原创试题大赛特等奖

《“水稻耐冷性的成因”试题设计》

广东省深圳外国语学校（518083）沈子杰

1、试题设计

我国科学家揭示了水稻耐冷性的形成机制，为物种适应性进化提供了新见解。

（1）传统观点认为：水稻耐冷性的形成过程中，________提供了进化的原材料，自然选择导致特定基因频率的定向改变，最终使水稻适应寒冷环境。

（2）研究人员对冷敏感水稻进行冷驯化实验（图1）,并统计了不同条件下水稻的结实率（图2）。结果初步显示，多代冷驯化使水稻获得了耐冷性，且该性状可遗传，判断依据是_______________。传统观点难以解释该现象。

（3）检测发现实验组4代水稻A基因启动子的甲基化水平降低，且该区域自然界中高纬度地区水稻的甲基化普遍低于低纬度地区，由此表明甲基化缺失与耐冷性之间存在_________（填“相关性”或“因果关系”）。研究人员利用DNA甲基化编辑技术（可改变靶基因的甲基化状态）,以4代水稻为材料证实了二者的联系，请简要写出实验思路_________________________________________。

（4）研究人员进一步探究了A基因表达的调控机制。

①将甲基化和无甲基化的DNA探针（由A基因启动子序列制备）分别与促转录蛋白D混合后电泳，结果如图3。条带1出现的原因是____________________________________。

②已知M酶可促进A基因启动子甲基化，研究发现耐冷水稻低温条件下M酶表达量降低。请综合上述信息，完善水稻耐冷性的进化模型（在图4方框中以文字和箭头的形式作答）____________________________________。

（5）本研究拓宽了高中教材中关于生物进化理论的内容，即：_________也可为进化提供原材料，这为拉马克的获得性遗传理论提供了直接证据。请从进化与适应的角度解释这一现象对于物种生存繁衍的优势__________________________。

2、参考答案及解析

2.1 参考答案

（1）突变和基因重组（2）实验组3、4代水稻低温下的结实率高于对照组，且结实率相近（3）相关性对照组4代水稻A基因启动子进行去甲基化处理，观察低温下结实率是否升高（或恢复实验组4代水稻A基因启动子的甲基化，观察低温下结实率是否降低）（4）①促转录蛋白D与无甲基化探针结合，降低迁移速率②见图5（5）环境诱导的表观遗传变异使物种后代更快获得适应环境的表型，利于生存繁衍。

2.2 答案解析

（1）突变（基因突变、染色体变异）和基因重组等可遗传变异提供进化原材料。

（2）实验组水稻3、4代低温下的结实率显著高于对照组3、4代，表明多代冷驯化使水稻获得了耐冷性；实验组水稻4代与3代低温下的结实率相近，表明耐冷性可遗传。耐冷性的形成时间短（仅3代）,传统观点认为进化需长期缓慢积累变异（突变具有低频性）,故难以解释该现象。

（3）冷驯化组的耐冷水稻甲基化水平降低，高纬度地区甲基化程度低于低纬度，均说明甲基化水平降低与耐冷性伴随出现，但未直接证明谁导致谁，故为相关性。若材料为对照组水稻，可用减法原理去除其甲基化，观察低温下结实率是否升高；若材料为实验组水稻，可用加法原理恢复其甲基化，观察低温下结实率是否降低。

（4）①探针DNA与促转录蛋白D结合，形成分子量更大的复合物使迁移受阻滞，形成条带1。②低温降低耐冷水稻的M酶表达量，进而降低A基因启动子甲基化水平，利于促转录蛋白D结合（根据图3,推测甲基化的A基因启动子无法与蛋白D结合）,促进A基因表达，增强耐冷性。

（5）低温诱导的DNA甲基化变异（归纳为环境诱导的表观遗传变异）可改变水稻表型，成为自然选择对象，这一发现补充了高中教材介绍的进化理论。表观遗传变异不改变DNA序列本身，故更易发生，可使后代更快获得亲代因适应环境变化而发生的性状改变，利于物种的生存繁衍。

3、命题意图

3.1 精选前沿科研成果作为情境

试题情境选自我国科学家2025年5月发表于Cell的论文^[¹^],其被誉为进化研究的里程碑。该研究揭示了低温诱导DNA甲基化变异使水稻获得耐冷性状的机制，首次为获得性遗传理论提供了直接证据，拓宽了传统进化理论，适合创建新颖的认知冲突情境。研究内容覆盖表观遗传、生物进化、遗传分子基础等核心知识，贴合高中教材；同时还涉及多个实验探究与生物技术，是设计综合性探究试题的极佳载体。

3.2 引导学生像科学家一样思考

设问遵循文献正向遗传学的研究顺序（表型-基因-机制）,引导学生像科学家一样思考。第（1）问铺垫试题背景，“传统观点”预示着研究挑战传统理论。第（2）问分析冷驯化实验结果的同时展示了获得性遗传现象，与传统理论的冲突可引发学生对新机制的思考。第（3）问通过呈现A基因启动子甲基化与耐冷性关联的事实，突出了对因果关系这一重要跨学科概念的考查，要求学生理清与相关性的区别和联系，并利用加减法原理设计实验论证因果。第（4）问进一步探究A基因影响表型的机制，学生需综合多种证据及题干信息，完善水稻耐冷性形成的进化模型。第（5）问要求学生基于本研究的证据，归纳形成新知识并加以分析。表1对试题从不同维度的考查目标进行了汇总。